国内外现代爆破新技术_聚能爆破技术

工程技术　Project technique
国内外现代爆破新技术
———聚能爆破技术
张瑞芝　李德超(中国矿业大学221008)
【摘　要】针对光面爆破对围岩损伤较严重、轮廓不平整度大、周边孔痕率低,尤其在软弱破碎岩体中问题更为突出,超欠挖严重,很难保证周边质量等现状,岩石定向断裂爆破技术应运而生。

而其中的主要技术包括聚能管爆破技术、侧向聚能药包爆破技术、双向聚能拉伸爆破技术、多点聚能切割爆破技术等。

【关键词】聚能;爆破;双向
1　引　言
目前,国内外岩巷施工中普遍采用光爆技术,在我国高达90%。

相对于普通爆破,光爆巷道或硐室成型质量有较大改观,但围岩损伤仍较严重、轮廓不平整度大、周边孔痕率低,尤其在软弱破碎岩体中问题更为突出,超欠挖严重,很难保证周边质量,在一定程度上限制了该技术的应用与发展。

为了克服光爆的不足及满足复杂条件下岩体定向断裂控制爆破的需要,国内外不少专家和学者在此方面进行了大量理论和探索性试验研究,岩石定向断裂爆破技术由此应运而生。

该爆破方法大体上分为三类,即切槽孔岩石定向断裂爆破、聚能药包岩石定向断裂爆破和切缝药包岩石定向断裂爆破。

其中,炮孔切槽爆破法增加了钻孔的难度,加大了辅助工序的时间,且需要采用专用钻具,钻孔效率低、成本高;聚能药包爆破法,尽管用药量少、效果好,但聚能药包制作工艺麻烦、适应性较差、不利于推广使用;相对而言,切缝药包爆破取得了较好效果,这类方法药卷制作简单、取材方便、成本低、适应性强、易于推广,但对套管力学性质有一定的要求。

目前,对坚硬岩体的复杂断面成型爆破,仍无理想的爆破技术。

本文将从聚能管爆破技术,侧向聚能爆破技术,侧向聚能药卷爆破技术,多点聚能切割爆破技术等方面来介绍。

2　聚能管爆破技术2.1　基本原理
在周边眼装药时,将炸药放在利用A BS 塑料制成的聚能管内,对炮孔实行不偶合装药,使聚能管本身对爆轰力产生瞬时抑制和导向作用,并通过切缝提供瞬态卸压空间,使爆轰力在切缝处形成高能流,集中在巷道轮廓线切线方向上传导,使其沿轮廓线方向优先产生裂隙并定向扩展。

(如图1
)
图1　聚能管药包
2.2　聚能药包的加工与使用(1)炮头加工与传统方法类似,把雷管插入小直径炸药中,周边眼雷管的延期时间比二圈眼雷管要长。

具体为:二圈雷管选用3段,周边眼就选用4段或5段雷管。

(2)聚能药包是将炮头放入聚能管,并视岩性和炮眼深度在聚
能管中加相应药量。

炸药靠聚能管一端放置,相互接触紧密。

(3)由于聚能管较长,应在其尾部填塞炮泥,,以保证不因炮棍转动改变聚能药包放置方向,并使聚能管中的炸药相互接触,保证炸药爆轰的稳定传播。

定炮时,将聚能管的切缝对准巷道的轮廓线,保证其聚能方向严格与巷道轮廓线方向一致。

2.3　应用效果及技术经济分析2.
3.1　应用效果
巷道采用周边定向断裂控制爆破施工技术,较好地解决了控制爆裂方向问题,保证了巷道轮廓线的完整,提高了半眼痕率,减少了超欠挖,降低了围岩松动范围,减少了炮震裂隙,提高了循环进尺,节省了材料,经济效益显著,同时了保证了施工安全。

2.3.2　技术经济分析
在新集二矿-550水平500m 运输巷道施工中,采用光爆施工新工艺,收到了较好经济效益及施工效果。

循环进尺由1.4m 提高到1.6m ,每米少出矸石1.2m2节省喷射混凝土1.0m3,通过综合经济分析计算,每米节省262元,整个工程减少投资13.5万元,巷道施工一年后仍保持完整、稳定、未发生破坏现象,考虑节省维修费用效益更可观。

3　双向聚能拉伸爆破技术3.1　双向聚能原理
双向聚能原理实质与前面所讲的聚能管爆破技术原理基本相同,不同之处在于将之前的聚能管缝改为聚能孔。

3.2　双向聚能模型及力学过程分析3.2.1　双向聚能模型
双向聚能爆破过程中,双向聚能装置有3个重要力学作用:1)对岩体的聚能压力作用,如图2(b )所示,这时岩体局部集中受压;2)炮孔围岩在设定方向上集中受拉,这是由于在非设定方向上炮孔围岩整体均匀受压所造成的。

这种整体均匀受压产生局部集中受拉的条件是双向聚能装置必须有一定的强度。

如图2(c )中XO Y 平面聚能拉张模型所示;3)炮孔围岩在XOZ 平面拉张力作用。

在XOZ 平面上,沿轴向围岩受到系列聚能孔的力学作用后,孔问岩体是受拉力作用。

如图3(b )中XOZ 平面聚能拉张模型所示。

图2　双向聚能爆破XO Y
平面受力模型
图3　双向聚能爆破X OZ 平面受力模型
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97—DOI :10.15880/j .cn ki .zsj j .2009.11.074
工程技术　Project technique
3.2.2　双向聚能模型及力学过程分析
炸药在双向聚能爆破装置中引爆后,爆生气体寻求自由空间以释放其能量,由于双向聚能管的存在,在聚能孔的导向作用下,爆生气体的能量势必优先从聚能孔中释放,形成能量流(图3(a ))。

每一个聚能孔汇集为成小能量流,从聚能管整体看,沿双向聚能管轴向(开孔方向)形成两点条状能量流。

因此,双向聚能管聚集的是点条状能流,聚能效果比条状均布流更优。

炸药爆炸后,在爆生气体流的作用下,对应聚能孔的孔壁周围形成准静应力场。

沿炮孔的径向为压应力,在其作用下孔壁沿聚能孔的轴向产生预裂隙。

爆生气体仍不断四周扩散,作用于预裂隙的岩体上,其中垂直预裂隙发育方向的为拉应力(图2(c )),正是在这部分应力充分利用了岩石“抗压怕拉”的特性,导致岩石沿预裂隙方向进一步拉裂。

若几个联孔同时起爆时,静应力场在炮孔之间进行叠加作用,炮孔间的拉张应力作用更为剧烈,当炮孔问距适当时,相邻裂缝将得以贯通。

4　多点聚能切割爆破新工艺4.1　新工艺的来源
多点聚能切割爆破新工艺的设想来源于邮票的启示,在一整张邮票上,由于纵向和横向都有整齐致密的针孔,所以只需要轻轻一撕,一张张小邮票就沿着针孔被整齐地撕下来,而且小邮票边缘不会受到破坏。

鉴于聚能射孔作用,可以设想,如果在岩石炮孔中,用导爆索串联若干个小聚能药包,聚能药包的聚能穴均对准预定方向。

当聚能药包被引爆后,沿炮孔轴向、在炮孔壁上预定的方向上形成一排射孔,如图4所示。

若各个聚能药包间隔距离适当,则炮孔壁岩石在爆生气体的膨胀作用下沿着多个射孔的连线(预定方向)被拉开,致使岩体按设定方向拉裂成型。

图4　多点聚能爆破技术示意图
4.2　多点聚能切割爆破原理
此新工艺是通过多个聚能药包在设定方向上的聚能作用,实现岩石定向断裂控制爆破的。

装药时,用导爆索将若干个聚能药
包串联,而后按设计方位将其放入炮孔。

当炸药引爆后,多个聚能
药包形成的聚能射流集中作用于对应的孔壁上,在药包聚能穴的方向上形成一排“点”状射孔,并在射孔边缘产生初始裂纹。

根据弹性力学理论可知,相邻两射孔之间会产生应力集中,因而在爆轰产生的高温、高压、高速气体的强有力的“气楔”作用下,两射孔连线方向的裂纹会不断延展,使岩体沿设定方向拉张开裂。

同时,由于管壁的抑制缓冲作用以及因爆轰产物从聚能穴方向优先卸载,应力作用急剧下降,减少了爆轰产物对孔壁的破坏,从而抑制了非设定方向裂纹的发展。

当几个炮孔的聚能装药同时起爆时,将在炮孔间产生叠加应力场,炮孔间的拉张应力加大。

若炮孔间距适当,相邻裂缝得以贯通,形成光滑的定向控制爆破面,实现精确控制爆破。

多点聚能切割爆破的实质是通过同一炮孔中的多点聚能射孔使炮孔孔壁在设定的方向上产生集中拉力,实现同孔岩体定向拉张断裂成型,然后在不同炮孔之间形成裂缝。

这与光面(预裂)爆破相比。

增加了同一炮孔中沿孔壁裂缝的定向控制,因而更具有优越性。

4.3　多点聚能切割爆破的特点(1)点条状聚能:多个聚能药包在同一炮孔中引爆后,爆轰产物优先从聚能穴方向卸压释放,在聚能穴方向形成(一排)“点”状能量流,从而在炮孔轴向方向、在炮孔壁设定方向上形成两个“点”状能量流面,如图1所示。

因此,多点聚能切割爆破是点条状能量流,聚能效果比条状均布能量流更加集中。

(2)双向拉张作用:爆轰产物优先在同一炮孔设定方向产生微裂隙,为爆轰产物提供了导向卸压空间,当压缩应力波遇到新产生的裂隙面,经反射变为拉伸波,在垂直于裂隙面方向上产生拉应力集中,由于岩石耐压怕拉,使裂隙沿设定方向延展、拉张成面,最后贯通炮孔孔壁;同时,不同炮孔的引爆在炮孔之间产生受拉裂缝,达到双向张拉成缝的目的。

5　结　语
以上介绍的聚能管爆破技术的基本思路都是将炸药密封在聚能药管中,而不同点在于引导爆破冲击波的开口形式,中国矿业大学提出的聚能爆破技术是把药包直接装入A BS 聚能药卷中,然后在药卷两边对称的开两个聚能导向缝;侧向聚能药卷提出将普遍使用的纸筒包装药卷改成塑料筒包装的药卷,开口方式与聚能爆破技术相同,这样可大大提高药卷的利用率,并减少药卷制造成本;双向聚能爆破技术是将原先的的聚能药卷开口缝改为一排开口孔,聚能效果比条状均布流更优,更有利于岩石的定向破裂;多点聚能切割爆破技术则对双向聚能爆破药卷进一步的改进,装药时,用导爆索将若干个聚能药包串联,而后按设计方位将其放入炮孔当炸药引爆后,多个聚能药包形成的聚能射流集中作用于对应的孔壁上,在药包聚能穴的方向上形成一排“点”状射孔,并在射孔边缘产生初始裂纹,使岩石定向断裂。

【参考文献】
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学报,1999
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